第五屆全國稱重技術(shù)研討會論文集

    [摘要] 針對皮帶秤配料系統(tǒng)實際應用中遇到的多種干擾問題，應用過程控制理論中的前饋控制技術(shù)，提出一種新的抗干擾的配料過程控制方案，不但提高了系統(tǒng)配料準確度，使皮帶秤的動態(tài)配料過程更加理想，而且使系統(tǒng)能應用于更多的場合，滿足更高的工藝要求。

    關鍵詞：單回路反饋 前饋控制 抗干擾 過程控制

一、引言

    企業(yè)內(nèi)常見的皮帶秤自動配料系統(tǒng)大都采用以下控制模式，如圖1所示，稱為單回路反饋控制系統(tǒng)，它能夠滿足自動配料系統(tǒng)工藝生產(chǎn)的基本要求，是一種最基本、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。

    工作原理是：物料通過給料設備送至配料皮帶秤，秤體中的稱重傳感器和測速傳感器將稱重和速度信號送至皮帶秤儀表，皮帶秤儀表顯示輸送物料的瞬時流量、累計量等數(shù)據(jù)，同時將瞬時流量以4～20mA模擬電流形式送往PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)測量值與設定值的偏差，通過變頻器去調(diào)整皮帶秤驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使之精確地以用戶設定的給料流量給料，達到恒定物料瞬時流量的目的。適用該工作模式的工藝現(xiàn)場必須滿足這樣一個前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機的轉(zhuǎn)速成正比。

    在有些工藝過程中會出現(xiàn)不同的情況，如：用戶的給料裝置給出的物料，其粒度、濕度等指標很不穩(wěn)定，這些干擾使皮帶秤上通過的單位體積的物料密度不斷發(fā)生變化，造成瞬時流量發(fā)生較快變化；與此同時，整個閉環(huán)控制回路中包含有傳感器、皮帶秤儀表、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、電機等多個裝置，當物料瞬時流量不斷變化時，各裝置存在一定的響應時間，變頻器和電機的加減速亦存在無法消除的上升和下降時間，使整個調(diào)節(jié)過程相對于測量量的變化呈現(xiàn)大滯后，調(diào)節(jié)不及時；而且PID調(diào)節(jié)器只有在輸入測量量和設定量之差后，才輸出調(diào)節(jié)指令，即輸入測量量和設定量之間必定存在一定的靜差。

    在上述情況下，單回路反饋控制效果很不理想，為此，就需要設計開發(fā)新的高性能過程控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)即是其中的一種。

二、前饋控制的基本原理

    前饋控制與單回路反饋控制系統(tǒng)不同，它可直接按照引起流量變化的干擾的大小進行控制，在這種系統(tǒng)中，當由于外部干擾引起給料流量發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)器一檢測到測量量的變化，就發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量做相應的變化，使調(diào)節(jié)輸出與干擾量相互抵消，保證物料流量穩(wěn)定，因此，前饋調(diào)節(jié)可以有效地克服干擾引起的流量變化。

    單純的前饋控制是一種開環(huán)控制，將它與反饋控制系統(tǒng)結(jié)合組成的前饋-反饋復合控制系統(tǒng)，可一方面利用前饋控制有效地減少干擾對被控參數(shù)---給料流量的動態(tài)影響，另一方面則利用反饋控制使給料流量穩(wěn)定在設定值上，從而保證了系統(tǒng)較高的控制準確度。圖2為前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的方框圖。

    圖中，干擾F(S)作用到輸出被控量之間存在著兩個傳遞通道：一個是F(S)通過過程干擾通道G_F(S)去影響輸出量Y(S)，另一個從F(S)出發(fā)經(jīng)前饋控制器G_B(S)產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過程控制通道G_O(S)去影響輸出量Y(S)。輸入量X(S)與干擾量F(S)對輸出的影響為：

    若要實現(xiàn)對干擾F(S)的完全補償，則上式第二項應為零，則復合控制系統(tǒng)的特征方程為：
          1+G_C(S） G_O(S)=0
該方程決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因與前饋控制器G_B(S)無關，所以反饋系統(tǒng)加入前饋控制器后，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，在實際的系統(tǒng)設計應用中，可先設計反饋部分，使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)后，再設計前饋部分，進一步消除干擾對輸出的影響。

三、前饋控制系統(tǒng)在電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)中的應用

    電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

    圖3中的調(diào)節(jié)及前饋部分可使用計算機或高級過程控制器來實現(xiàn)，如霍尼威爾公司的UDC6300過程控制器，它內(nèi)部具備前饋加法器，輸入前饋信號后，經(jīng)比例/偏移運算，直接與PID運算輸出相加作為最終調(diào)節(jié)輸出給變頻器。

    皮帶秤儀表將測量到的瞬時流量轉(zhuǎn)化為兩個4～20mA模擬輸出信號，一個作為PID調(diào)節(jié)器的反饋輸入與調(diào)節(jié)器機內(nèi)設定植比較參與反饋運算，另一個作為PID調(diào)節(jié)器的前饋輸入乘前饋放大系數(shù)，然后再與反饋運算輸出相加輸出4～20mA模擬調(diào)節(jié)信號控制變頻器的頻率從而及時改變電機的轉(zhuǎn)速。單回路前饋-反饋復合控制系統(tǒng)較為實用可行的電原理圖如圖4所示。

    該控制系統(tǒng)已在化工、電力、冶金等行業(yè)中得到應用，實踐表明采用該方案的控制系統(tǒng)其準確度指標令人滿意，可以滿足用戶較高的工藝要求。

四、前饋控制的應用原則

    1、當系統(tǒng)中存在變化頻率高，幅值大、可測而不可控的干擾時，普通反饋控制難于克服此類干擾對被控參數(shù)的影響，而生產(chǎn)工藝對被控參數(shù)的要求又十分嚴格，為改善和提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，可引入前饋控制。
    2、當過程控制通道滯后大，其時間常數(shù)比干擾通道的時間常數(shù)大，反饋控制不及時，可引入前饋控制。
    3、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的投資要高于普通的單回路反饋控制系統(tǒng)，具備前饋接口的過程控制器的價格大大高于普通的PID調(diào)節(jié)器，如果用戶對生產(chǎn)的工藝性要求不高，資金有限，則不必盲從。
    4、若控制系統(tǒng)中某一部分的干擾變化特別激烈，而且幅度大，則可在系統(tǒng)中增加副回路，構(gòu)成串級控制回路，組成前饋-反饋串級復合控制系統(tǒng)，控制效果更好。

作者姓名：申穎
工作單位：濟南金鐘電子衡器股份有限公司
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職稱：高級工程師
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